一種新型的商用車離合器執(zhí)行機構系統設計

劉 欣，周厚金，趙甜甜，尚玄清

（大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連116024）

電控機械式自動變速器（AMT）作為自動變速器主要方式之一，以其傳動效率高、成本低和易于制造等優(yōu)點，非常適合我國汽車工業(yè)的發(fā)展需要。離合器控制是實現自動機械變速器(A M T)的關鍵技術,也是決定自動機械變速器車輛起步、換檔過程品質的重要因素。然而，對離合器操作系統在離合器自動分離與接合過程中，系統的穩(wěn)定性、響應的快速性、位置控制精度性都有嚴格的要求。因而，對離合器自動離合操縱系統的控制方法研究及機構設計就顯得尤為重要，即對離合器執(zhí)行機構的系統設計非常重要。目前，根據動力源的不同，離合器自動離合操縱系統可分為電控液動式、電控氣動式、電控電動式[1-3]等類型。在對離合器控制規(guī)律深入分析的基礎上結合氣動控制特點，以及結合重型商用車自身帶有氣源，設計開發(fā)出一種新型的商用車離合器執(zhí)行機構系統。

1 系統總體方案設計

離合器執(zhí)行機構系統總體方案設計包含兩部分，分別為離合器執(zhí)行機構機械主體部分設計和控制系統部分設計。如圖1所示。

1.1 機械結構

圖1 離合器執(zhí)行機構構造簡圖Fig.1 The clutch actuator structure diagram

離合器執(zhí)行機構機械主體部分的基本結構如圖1所示。主要包括步進電機1、絲杠螺母3、車身氣源4、閥組（進氣閥5、出氣閥 6）、氣缸 7、助理彈簧 8、推桿 10、壓力傳感器 12、套筒13、滑塊14、位移傳感器15、滾珠絲杠16、聯軸器17等組成。在重型商用車離合器整個分離與接合過程中，控制離合器分離杠桿的力比較大，如果采用電機驅動，則需加裝力矩放大裝置，如齒輪減速等，增加系統復雜程度。因而，在本系統中，運用氣缸與助力彈簧的組合，承擔整個系統的主要的載荷，減輕電機工作負荷。同時利用步進電機與滾珠絲桿組成電機傳動系統，壓力傳感器與位移傳感器組成的反饋系統，電磁閥組與氣缸組成的氣壓系統，形成并聯閉環(huán)系統。位移傳感器、滑塊、套筒、活塞彼此之間機械聯接，且無相對滑動，位移傳感器實時檢測活塞的具體位置。滾珠絲杠與套筒之間無聯接，彼此之間的運動互不影響，但是在離合器進行半聯動的控制過程中，套筒的位置受絲杠螺母位置限制。氣缸氣壓大小由電磁閥組控制，且壓力傳感器實時檢測氣缸壓強。

1.2 控制系統

離合器執(zhí)行機構控制系統部分，主要如圖1所示的離合器控制器。離合器控制器為整個離合器執(zhí)行機構系統的控制中心。主要包含電源處理模塊，步進電機驅動模塊，CAN總線控制模塊，傳感檢測處理模塊，電磁閥組驅動模塊，以及其他輔助模塊。通過對模塊的控制，實現相應機械部分控制，其中通過CAN總線模塊，實現離合器執(zhí)行器系統與車載系統的ECU控制中心進行信息交流。

2 系統工作原理

車載系統的ECU控制中心通過CAN總線[4]將系統所需其他信息如車速、發(fā)動機轉速等，發(fā)送給離合器控制器，最終實現離合器自動離合，整個系統工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理圖Fig.2 Working principle of the system

整個系統工作原理如下：1)離合器分離階段：離合器控制器發(fā)送指令，電磁閥組工作，氣缸壓力增大，且遠大于助力彈簧彈力，推桿推動分離杠桿快速運動，實現離合器快速徹底的分離。2)離合器接合階段：主要分3個過程，總體要求為“快-慢-快”。其過程為，首先，離合器控制器收集各種信息，預先判斷出系統半聯動接合點的位置，然后發(fā)送指令，使步進電機快速正轉，帶動絲杠螺母運動到半聯動接合點位置。同時電磁閥組工作，使得氣缸壓力小于助力彈簧彈力與離合器回復力的合力，但氣缸要保持一定的壓力?；钊剡\動，帶動套筒頂上螺母，推桿往回運動，離合器快速接合。此后，將位移控制交給螺母，電機反轉實現離合器慢接合。最后，當系統判斷出，離合器主動盤與從動盤速度一致時，電機快速反轉，使得套筒隨螺母快速移動，實現離合器快速接合，同時放掉剩余氣缸氣壓。

3 硬件設計

離合器執(zhí)行機構控制系統的硬件電路主要包含有控制電路，電源模塊電路，步進電機驅動電路，CAN總線控制電路，傳感檢測處理電路，電磁閥組驅動電路，以及其他輔助電路，如圖3所示。其中控制電路以PIC單片機為核心，根據壓力傳感器、位移傳感器、CAN總線接受的信息，控制步進電機、電磁閥組以及其他輔助電路。

圖3 硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram

1)系統采用的MCU是微芯公司的8位高檔單片機PIC18F26K80[5]，該型號單片機屬于汽車級芯片，能夠滿足行車復雜工況的應用要求。具有64K的flash存儲器、3K的RAM存儲器、1K的EEPREOM、28個I/O端口、多個可配置的定時計數器、多路A/D轉換通道，多路PWM輸出通道，集成CAN控制器等片上資源，可以滿足系統的所需功能要求。

2)電源模塊采用的是凌力爾特公司的LT1076-HV5開關降壓穩(wěn)壓器，該型號芯片具有8 V到60 V電壓輸入，5 V電壓輸出，最大輸出電流2 A，100 HZ的轉化頻率。本系統工作環(huán)境電源電壓為24 V，而數字電路需要5 V電壓，能夠很好滿足工作需要。

3）步進電機驅動電路采用TI公司的DRV8711[6]作為控制芯片，如圖4所示，通過外加8個N通道 MOSFET放大管來組成雙H全橋驅動電路，并且采用PWM方式控制步進電機。該芯片內置 1/256步長微步進分度器，8～52 V運行電源電壓范圍，可擴展輸出電流，并且具有過流保護、過熱關斷、欠壓閉鎖等功能，能夠為步進電機精確控制提供良好保障。

4）CAN總線電路采用微芯公司的MCP2561作為CAN收發(fā)器，如圖5所示，它與單片機的CAN控制器配合工作，將自動離合所需的其他信息以CAN總線的方式與車載系統ECU通訊。

5）采用意法半導體TIP132達林頓管作為電磁閥組驅動芯片，位移傳感器與壓力傳感器所采集到信號通過信號處理電路后輸送到PIC單片機A/D轉換接口，進行數據處理。輔助電路有蜂鳴器電路，時鐘電路等。蜂鳴器電路實行報警功能，且隨頻率的不同，表示警示類型與級別不同。

4 軟件設計

軟件設計是離合器執(zhí)行機構系統設計的核心。由于要實現離合器自動離合所需處理信息比較多，同時為提高系統的可靠性及實時性，還需要相應的控制算法，所以本系統中軟件設計采用模塊化設計，即由一個主程序及多個子程序模塊組成。每個模塊的程序先單獨編寫編譯，且單獨調試，最后將所有模塊放在一起調試，最終實現離合器執(zhí)行機構控制離合器實現自動離合。

圖4 步進電機驅動電路Fig.4 Stepper motor drive circuit

圖5 CAN收發(fā)器原理圖Fig.5 The CAN transceiver principle diagram

圖6 主程序流程圖Fig.6 The main program flow chart

如圖6所示主程序流程圖，系統上電后，對各模塊初始化，先進行信息采集，信息處理，進行離合器動作邏輯判斷，即將通過CAN總線采集的來的發(fā)動機轉速、車速、擋位信息等其他信息與離合器執(zhí)行器自身所得到的位移、壓力信號進行綜合判斷，判別離合器動作。然后分別通過控制電機傳動系統與氣壓系統等模塊，進入離合器分離與接合程序循環(huán)。同時，為了處理在離合器控制過程出現異常情況，如人為操作失誤等，設計了異常處理模塊，通過定時器定時延遲等待，讓系統判斷處理，提高系統的穩(wěn)定性。

5 結論

本新型商用車離合器執(zhí)行機構創(chuàng)新之處在于：一方面氣壓系統承擔了離合器控制過程的主要負載以及位移行程，電機傳動系統只負責了從離合器半聯動到完全接合過程的部分位移行程控制，從而減輕了電機傳動系統工作負擔，提高系統的精確性、快速響應性、換擋品質；另一方面，氣壓系統部分加入助力彈簧與電機傳動系統并聯控制，中和了氣壓傳動存在易暴躁性，使得離合器工作過程中更具有柔順性，保護摩擦片，提高離合器的使用壽命，提升了乘坐的舒適性，提高了系統的穩(wěn)定性。目前該系統已實現了部分功能，軟硬件處于繼續(xù)完善中。相信隨著系統繼續(xù)完善，將逐漸滿足工業(yè)實際應用需要，為商品化打下良好的基礎。

[1]陳榮桐.機械式自動變速器的全電動離合器的開發(fā)[D].吉林：吉林大學，2005.

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[4]楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[5]美國微芯科技公司，PIC18F66K80單片機數據手冊[EB/OL].[2012-02-23].http://www.microchip.com/

[6]TI公司，DRV8711數據手冊 [EB/OL].[2013-06-01].http://www.ti.com.cn/.